Sensitivity enhancement in NMR by using parahydrogen induced polarization [Elektronische Ressource] / Meike Roth
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Description

Sensitivity enhancement in NMR byusing parahydrogen inducedpolarizationDissertation zur Erlangung des GradesDoktor der Naturwissenschaftenam Fachbereich Chemieder Johannes Gutenberg-Universitat¨in MainzMeike Rothgeboren in MainzMainz 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von September 2007 bis April 2010 amMax-Planck-Institut fur¨ Polymerforschung in Mainz angefertigt.Dekan:Erster Berichterstatter:ZweiterTag der mundlichen¨ Prufung:¨ 21.05.2010”Es kommt nicht darauf an, mit dem Kopf durch die Wand zu rennen,sondern mit den Augen die Tur¨ zu finden.”Albert EinsteinContents1 Introduction 12 Theory 42.1 Hyperpolarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Parahydrogen Induced Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1 Ortho- and Parahydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 The Chemical Reaction behind the PHIP Method . . . . . . . . . 102.2.3 Density Matrix Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.4 Theorectical Signal Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.5 Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.6 Transfer of Polarization to Heteronuclei . . . . . . . . . . . . . . . 223 Optimizing the Parahydrogen Technique on Model Compounds 243.1 Model Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.1.1 1-Hexyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Informations

Publié par
Publié le 01 janvier 2010
Nombre de lectures 36
Langue Deutsch
Poids de l'ouvrage 22 Mo

Extrait

Sensitivity enhancement in NMR by
using parahydrogen induced
polarization
Dissertation zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
am Fachbereich Chemie
der Johannes Gutenberg-Universitat¨
in Mainz
Meike Roth
geboren in Mainz
Mainz 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von September 2007 bis April 2010 am
Max-Planck-Institut fur¨ Polymerforschung in Mainz angefertigt.
Dekan:
Erster Berichterstatter:
Zweiter
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 21.05.2010”Es kommt nicht darauf an, mit dem Kopf durch die Wand zu rennen,
sondern mit den Augen die Tur¨ zu finden.”
Albert EinsteinContents
1 Introduction 1
2 Theory 4
2.1 Hyperpolarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Parahydrogen Induced Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Ortho- and Parahydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 The Chemical Reaction behind the PHIP Method . . . . . . . . . 10
2.2.3 Density Matrix Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Theorectical Signal Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.6 Transfer of Polarization to Heteronuclei . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Optimizing the Parahydrogen Technique on Model Compounds 24
3.1 Model Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 1-Hexyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 2-Hydroxyethyl acrylate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Parahydrogen Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Catalytic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Water-insoluble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Water-soluble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Hydrogenation Conditions and Different Ways to Apply Parahydrogen 41
3.4.1 The Standard PASADENA Experiment . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 ALTADENA and P under Pressure . . . . . . . . . . . 43
3.4.3 PASADENA with Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Polarization Transfer to Heteronuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.1 Spontaneous Polarization Transfer at low Field . . . . . . . . . . . 53
3.5.2 Polarization transfer via INEPT(+p/4) and PH-INEPT+ Sequences 56
3.5.3 Combination with the Membrane Setup . . . . . . . . . . . . . . . 62II Contents
4 Physiologically Relevant Substances for PHIP 67
4.1 Metabolites and Neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.1 Towards Metabolites of the Citric Acid Cycle . . . . . . . . . . . . 68
4.1.2 GABA and its Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Drugs and Pharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.1 Hyperpolarization of a Barbituric Acid derivative . . . . . . . . . 85
4.2.2 Citalopram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Polymerizable Monomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 N-Vinyl-2-pyrrolidone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Conclusion 111
6 Appendix 117
6.1 General Experimental Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Parahydrogen Enrichment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4 Calculation of Signal Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5 T Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211
6.6 Synthesis of Model Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.6.1 5-Methyl-5-propenyl-barbituric acid . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
136.6.2 C-acetylenedicarboxylic acid dimethyl ester . . . . . . . . . . . 126
6.6.3 1-Allyl-1-(4-fluorophenyl)-1,3-dihydroisobenzofuran-5-carbonitrile 130
6.7 Synthesis of a Water-soluble Ligand System . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.7.1 Tppsm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Abbreviations
ALTADENA adiabatic longitudinal transport after dissociation engenders
net alignment
BAC biologically active compound
CACA cis-4-amino-crotonic acid
CAS chemical abstracts-number
COD cyclooctadiene
COSY correlation spectroscopy
d doublet
dd of doublets
DNP dynamic nuclear polarization
dppb (diphenylphosphino)butane
dppbs [diphenyl-sulfonate)phosphine]butane
e.g. exempli gratia
FD field desorption
FID free induction decay
FT fourier transformation
GABA g-aminobutyric acid
i.e. id est
INEPT insensitive nuclei enhancement by polarisation
IR infrared
IUPAC international union of pure and applied chemistry
LDA lithium diisopropylamide
m multiplet
MHz megahertz
MRI magnetic resonance imaging
MS mass spectrum
NMR nuclear magnetic resonance
NOE Overhausen effect
nor norbonadiene
NVP N-vinyl-2-pyrrolidoneIV Abbreviations
o-H orthohydrogen2
p-H parahydrogen2
PASADENAogen and synthesis allow dramatically enhanced nu-
clear alignment
Pgp permeability glycoprotein
PH-INEPT parahydrogen-insensitive nuclei enhancement by polarisation
PHIPogen induced polarization
Photo-CIDNP photochemically induced dynamic nuclear polarization
ppbs (phenyl-propane sulfonate)phosphine
ppm parts per million
PVP polyvinylpyrrolidone
pyr pyridine
qu quartet
rf radio frequency
s singlet
SE signal enhancement
SNR signal-to-noise ratio
SSRIs selective serotonin reuptake inhibitors
t triplet
TACA trans-4-amino-crotonic acid
tchp tricyclohexylphosphine
tdmpp tris(dimethyl-phenylphosphine)
TPA time point of acquisition
tpps [triphenyl-sulfonate phosphine)
tppsm triphenyl-sulfonate-methoxy phosphine)

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